На что влияет крутящий момент двигателя?

Крутящий момент и лошадиная сила

Автолюбители нередко дискутируют друг с другом: чей двигатель мощнее. Но иногда и не представляют при этом, из чего складывается данный параметр. Общепринятый термин «лошадиная сила» был введён изобретателем Джеймсом Уаттом в XVIII веке. Он придумал его, наблюдая за лошадью, которая была запряжена в поднимающий уголь из шахты механизм. Он рассчитал, что одна лошадь за минуту может поднять 150 кг угля на высоту 30-ти метров. Одна лошадиная сила эквивалентна 735,5 Ватт, или 1 кВт равен 1,36 л.с.

В первую очередь, мощность любого мотора оценивают в лошадиных силах, и лишь потом вспоминают о крутящем моменте. Но эта тяговая характеристика тоже даёт представление о конкретных тягово-динамических возможностях автомобиля. Крутящий момент является показателем работы силового агрегата, а мощность – основным параметром выполнения этой работы. Эти показатели тесно связаны друг с другом. Чем больше производится двигателем лошадиных сил, тем больше и потенциал крутящего момента. Реализуется этот потенциал в реальных условиях через трансмиссию и полуоси машины. Соединение этих элементов вместе и определяет, как именно мощность может переходить в крутящий момент.

Простейший пример – сравнение трактора с гоночной машиной. У гоночного болида лошадиных сил много, но крутящий момент требуется для увеличения скорости через редуктор. Чтобы такая машина двигалась вперёд, надо совсем немного работы, потому что основная часть мощности используется для развития скорости.

Что касается трактора, то у него может быть мотор с таким же рабочим объёмом, который вырабатывает столько же лошадиных сил. Но мощность в этом случае используется не для развития скорости, а для выработки тяги (См. тяговый класс). Для этого она пропускается через многоступенчатую трансмиссию. Поэтому трактор не развивает высоких скоростей, зато он может буксировать большие грузы, пахать и культивировать землю, и т.д.

В двигателях внутреннего сгорания сила передаётся от газов сгорающего топлива поршню, от поршня – передаётся на кривошипный механизм, и далее на коленчатый вал. А коленвал, через трансмиссию и приводы, раскручивает колёса.

Естественно, крутящий момент двигателя не постоянен. Он сильней, когда на плечо действует бо́льшая сила, и слабей – когда сила слабнет или перестаёт действовать. То есть, когда водитель давит на педаль газа, то сила, воздействующая на плечо, повышается, и, соответственно увеличивается крутящий момент двигателя.

Мощность обеспечивает преодоление всевозможных сил, которые мешают двигаться автомобилю. Это и сила трения в двигателе, трансмиссии и в приводах автомобиля, и аэродинамические силы, и силы качения колёс и т.д. Чем больше мощность, тем большее сопротивление сил машина сможет преодолеть и развить большую скорость. Однако мощность – сила не постоянная, а зависящая от оборотов мотора. На холостом ходу мощность одна, а на максимальных оборотах – совершенно другая. Многими автопроизводителями указывается, при каких оборотах достигается максимально возможная мощность автомобиля.

Необходимо учитывать, что максимальная мощность не развивается сразу. Автомобиль стартует с места практически при минимальных оборотах (немного выше холостого хода), и для того, чтобы отмобилизировать полную мощность, требуется время. Тут и вступает в дело крутящий момент двигателя. Именно от него и будет зависеть, за какой отрезок времени автомашина достигнет своей максимальной мощности – то есть, динамика её разгона.

Зачастую водитель сталкивается с такими ситуациями, когда требуется придать автомобилю значительное ускорение для выполнения необходимого маневра. Прижимая педаль акселератора в пол, он чувствует, что автомобиль ускоряется слабо. Для быстрого ускорения нужен мощный крутящий момент. Именно он и характеризует приёмистость автомобиля.

Основную силу в двигателе внутреннего сгорания вырабатывает камера сгорания, в которой воспламеняется топливно-воздушная смесь. Она приводит в действие кривошипно-шатунный механизм, а через него – коленчатый вал. Рычагом является длина кривошипа, то есть, если длина будет больше, то и крутящий момент тоже увеличится.

Однако увеличивать кривошипный рычаг до бесконечности невозможно. Ведь тогда придётся увеличивать рабочий ход поршня, а вместе с ним и размеры двигателя. При этом уменьшатся и обороты двигателя. Двигатели с большим рычагом кривошипного механизма можно применить только лишь в крупномерных плавательных средствах. А в легковых автомашинах с небольшими размерами коленчатого вала не поэкспериментируешь.

Физические определения мощности и крутящего момента двигателя

Из курса физики за девятый класс нам известно, что крутящий момент М равняется произведению силы F, прикладываемой к рычагу длиной плеча L. Высчитывается он по формуле: М = F * L.

Определение мощности мотора и понимание данного параметра, сложившееся в науке, звучит следующим образом: это физическая величина, которая характеризует работу двигателя, выполняемую им за определённое время. То есть, мощность показывает, как быстро машина, имеющая определённую массу, сможет преодолеть определённое расстояние. Чем выше мощность, тем большую максимальную скорость разовьёт автомобиль при его неизменной снаряжённой массе. В классической физике мощность измеряют в ваттах или киловаттах, а лошадиная сила является внесистемной единицей измерения.

Понимание крутящего момента сложнее. Крутящим моментом двигателя является качественный показатель, который характеризует силу вращения коленчатого вала мотора. Рассчитывается он как произведение силы, приложенной к поршню, на плечо (т.е. расстояние от центра оси вращения коленвала до места крепления поршня (шатунной шейки). Крутящий момент напрямую зависит от силы давления газов в цилиндре на поршень, а также от рабочего объёма мотора и от степени сжатия топливно-воздушной смеси в цилиндрах. Значительно более высоким крутящий момент получается у дизельных двигателей – как раз потому, что у них чрезвычайно высока степенью сжатия смеси солярки и воздуха в камерах сгорания.

Высокий крутящий момент двигателя даёт автомашине лучшую динамику разгона, уже при низких оборотах вращения коленчатого вала, существенным образом увеличивает тяговые характеристики мотора: повышает грузоподъёмность машины и её проходимость.

Своего наибольшего значения крутящий достигает при определённых оборотах. Моторам бензиновым оборотов требуется больше, чем дизелям. По сути, мощность двигателя является вторичной рабочей характеристикой мотора, которая является производной крутящего момента. Она линейно зависима от частоты вращения коленвала: чем обороты выше, тем больше и мощность мотора (естественно, до определённых пределов).

Крутящий момент тоже увеличивается при увеличении оборотов двигателя. Но, достигнув своего наивысшего значения (при определённой частоте вращения коленчатого вала), его показатели начинают понижаться, уже вне зависимости от дальнейшего прироста оборотов.

Что такое крутящий момент двигателя автомобиля простыми словами

Крутящий момент и мощность двигателей ВАЗ. Как видно из графиков, максимальная мощность достигается только на максимальных оборотах, тогда как пик крутящего момента находится между 3000 и 4500 оборотов.

Чтобы ответить на этот вопрос простыми словами нужно сначала выяснить, что подразумевается под терминами «мощность», «крутящий момент», а также число оборотов. С первой из этих характеристик дело обстоит несколько проще, поскольку всем тем, кто хорошо учился в средней школе, известно, что мощность — это работа, производимая в единицу времени.

Двигатель внутреннего сгорания, потребляя топливо, преобразовывает тепловую энергию его сгорания в кинетическую, совершая при этом работу. Она заключается во вращении коленчатого вала, и этот показатель измеряется в количестве оборотов в минуту. Соответственно, от частоты, с которой в цилиндрах ДВС происходит сгорание топливной смеси, напрямую зависит и работа, которую производит двигатель, и его мощность. Зависимость эта — прямо пропорциональная.

Что же касается крутящего момента, то с ним отнюдь не все так очевидно, как с мощностью и количеством оборотов. Он является, по сути дела, величиной, производной от них и представляет собой произведение силы на плечо рычага. Поскольку сила (в данном случае та, которая возникает при сгорании топлива и воздействует на поршень) измеряется в физике в ньютонах, а длина (в данном случае — длина плеча кривошипа коленчатого вала) — в метрах, то единицей измерения крутящего момента, является Нм.

Таким образом, получается, что крутящий момент представляет собой усилие, которое развивает двигатель. Именно его значение определяет силу тяги, обеспечивающую разгон автомобиля и его движение. Следовательно, чем больше крутящий момент, тем автомобиль «резвее», что есть тем лучше его динамика. Поскольку сила, воздействующая на поршень при сгорании топлива, растет с увеличением рабочего объема двигателя, то чем он больше, тем выше крутящий момент.

Следует заметить, что в характеристиках двигателей внутреннего сгорания всегда указывается максимальная мощность, которую они способны развить. Крутящий момент определяет, как быстро она достигается, и поэтому он указывается для конкретного числа оборотов. Иными словами, он определяет, как быстро силовой агрегат «выбирает» тот потенциал мощности, который в нем заложен конструкторами. Именно поэтому, к примеру, при достаточно спокойной езде на невысоких оборотах (до 2500 об/мин) для быстрого ускорения самым предпочтительным двигателем является тот, который имеет максимальный крутящий момент именно на них.

Как изменение крутящего момента влияет на динамику машины

Чтобы обеспечить как можно более высокие динамические характеристики машины, автопроизводителями разрабатываются такие силовые агрегаты, которые обладают максимальным крутящим моментом в более широком диапазоне оборотов мотора. Высокий крутящий момент характерен для дизелей, а также для моторов многоцилиндровых и турбированных.

Чтобы реально оценить роль мощности и крутящего момента при формировании динамических характеристик машины, требуется учесть следующее:

• автомобиль с двигателем более мощным, но не обладающим достаточным крутящим моментом, будет уступать в разгонной динамике машине с меньшей мощностью, но более высоким крутящим моментом;
• высокий крутящий момент, который двигатель способен «подхватить» уже на низких оборотах, позволит автомобилю ускоряться намного эффективнее;
• наибольшая скорость, которую может развить автомобиль, напрямую зависит от мощности его двигателя, а крутящий момент, в отличие от динамики разгона, не влияет на этот показатель. Максимальная скорость автомобиля, который обладает огромным крутящим моментом, может быть и невелика. Например, мощные внедорожники имеют внушительный крутящий момент и невысокую максимальную скорость, а гоночные машины могут иметь небольшой крутящий момент на карданном валу, но высокую скорость.

Таким образом, вне зависимости от мощности двигателя, разгонная динамика машины, его способность без проблем преодолевать подъёмы всецело зависят от того, каков максимальный крутящий момент. Чем больший крутящий момент передастся на ведущие колёса, и чем шире диапазон оборотов мотора, в котором он будет достигнут, тем увереннее автомобиль будет ускоряться и преодолевать непростые участки дорог.

Необходимо заметить, что прямое сравнение характеристик конструкционно идентичных, но имеющих различные крутящие моменты двигателей, будет иметь смысл только при одинаковых параметрах и трансмиссии тоже – когда коробки переключения передач будут обладать схожими передаточными отношениями. Если же эти параметры будут разными, то и сравнивать крутящие моменты и возможности двигателей нет практического смысла.

Почему крутящий момент важен?

Крутящий момент, в особенности при разработке систем с двигателями, которые обеспечивают правильную величину крутящего момента, невероятно важен в широком диапазоне различных применений.

Допустим, вы строите робота. Если вы хотите построить более крупного робота или робота, способного поднимать тяжелые предметы, вам понадобятся более мощные двигатели, способные создавать больший крутящий момент, чтобы заставить робота двигаться.

Для летательных аппаратов крутящий момент, создаваемый двигателями, напрямую определяет максимальную подъемную силу, которую могут создавать пропеллеры.

Рисунок 3 – Создание подъемной силы крутящим моментом.

Если вы строите автомобиль и хотите, чтобы он ускорялся быстрее, вам потребуется от двигателей больший крутящий момент – в автомобиле сила, движущая его вперед, равна (примерно) крутящему моменту двигателя, деленному на радиус колес.

Электромобили, такие как Tesla Model S, известны своим быстрым ускорением, потому что их электродвигатели генерируют огромную величину крутящего момента. Этот крутящий момент непосредственно передается в большую силу, применяемую колесами к поверхности дороги. Как учат основы физики, воздействие на объект большей силы заставит его ускоряться быстрее.

Крутящий момент у бензиновых и дизельных моторов

Бензиновые двигатели отличаются не самым большим крутящим моментом. Своего наибольшего значения крутящий момент бензинового двигателя достигает на оборотах не менее чем 3-4 тыс. об/мин. Однако бензиновый двигатель быстро сможет увеличить мощность и раскрутиться до 7-8 тыс. об/мин. При таких сверхвысоких оборотах мощность возрастает в разы.

Дизельный двигатель не отличается высокими оборотами. Обычно это 3-5 тыс. об/мин максимум, и тут он бензиновым моторам проигрывает. Однако крутящий момент дизельного двигателя выше в разы, и доступным он становится очень быстро, практически с холостого хода.

В качестве конкретного примера, можно вспомнить тесты двух двигателей от фирмы Ауди – один дизельный: 2.0 TDI мощностью 140 л.с. и крутящим моментом 320 Н.м, а второй бензиновый: 2.0 FSI мощностью 150 л.с. и крутящим моментом 200 Н.м. По итогам контрольной прогонки в различных режимах получается, что дизель на целых 30-40 л.с. мощнее бензинового двигателя в диапазоне от 1 до 4,5 тыс. оборотов. Поэтому и не сто́ит смотреть только на лошадиные силы. Бывает, что мотор с меньшим рабочим объёмом, но с высоким крутящим моментом показывает себя намного динамичнее, чем двигатель с большим рабочим объёмом, но низким крутящим моментом.

В технических характеристиках, которые указываются для каждого автомобиля и его двигателя, показатель максимального крутящего момента всегда указывается в сочетании с величиной оборотов, при которых такой крутящий момент может быть достигнут. При этом обычно считается: если максимальный крутящий момент может быть достигнут на оборотах до 4,5 тыс. об/мин., то такой двигатель можно назвать низкооборотным; а если более 4,5 тыс. об/мин – то высокооборотным.

При малом количестве оборотов в область сгорания поступает незначительное количество воздушно-топливной смеси за единицу времени, поэтому крутящий момент и мощность невелики. Увеличивая обороты, количество топливно-воздушной смеси (а вслед за ним и мощность, и крутящий момент) возрастают. Достигая значительных параметров, мощность начинает снижаться из-за механических потерь на трение механизмов; инерционных потерь; от недостаточного нагнетания воздуха (именуемого кислородным голоданием).

Из соображений обеспечения максимальных количеств поступающего воздуха в камеру сгорания даже на незначительных оборотах двигателя применяются системы турбированного наддува с электронным регулированием. Применяя такие системы турбонаддува, можно обеспечивать равномерность характеристик крутящего момента в широком диапазоне оборотов двигателя.

Таблица крутящего момента и мощности

← Круиз-контроль Ксенон →

• 1
• 9001

Какие можно сделать выводы по вышесказанному

Оценивая эксплуатационные параметры автомобиля и непосредственно рабочие характеристики его мотора, величина крутящего момента будет обладать большим приоритетом, чем мощность. Среди двигателей, которые имеют примерно одинаковые конструктивные и рабочие параметры, более предпочтительными будут те, у которых крутящий момент выше.

Для обеспечения лучшей динамики разгона машины и обеспечения оптимальных тяговых свойств двигателя, частоту вращения коленчатого вала надо поддерживать в том диапазоне значений, при которых крутящий момент может достичь пиковых своих показателей.

В итоге, можно сделать вывод о том, что классифицировать и сравнивать машины только по мощности (лошадиных силам) двигателя не совсем правильно. Необходимо обращать особенное внимание ещё и на крутящий момент (Н.м). Если крутящий момент двигателя значительно выше, чем у аналогичного или близкого по ТТХ конкурента, то такой мотор будет обладать бо́льшей динамикой.

Своей наибольшей мощности двигатель внутреннего сгорания развивает на определённых оборотах. Для автомобилей бензиновых это около 6 тысяч оборотов в минуту, для дизельных – менее 4 тысяч об/мин. Вот почему дизельные моторы относятся, как правило, к классу низкооборотных, а бензиновые – высокооборотных.

Для движения в городском ритме лучше всего подходят низкооборотные моторы с турбонаддувом. Если же есть желание посоперничать в скоростях на трассе, то лучше выбрать автомобиль с высокооборотным силовым агрегатом.

Измерьте крутящий момент двигателя сами

Мы рассмотрели, почему так важно оставаться в пределах максимального крутящего момента двигателя. Так что же делать, если вы думаете, что ваш двигатель не соответствует требованиям? Не бойтесь! У нас есть проект, который может показать вам, как измерить крутящий момент серводвигателя (в следующей статье).

Дважды проверьте крутящий момент вашего серводвигателя перед тем, как добавить его в свой проект. Это поможет вам избавиться от разочарований от сборки и от повторного переделывания.

Оригинал статьи:

• Scott Hatfield. What is Torque and Why Does it Matter?

Способы прироста в крутящем моменте двигателя

Величину, которая необходима для крутящего момента той или иной модели автомобиля, определяют инженеры ещё на предварительном этапе конструкторской разработки мотора. От неё зависят и другие элементы автомобиля: его подвеска, тормозное и рулевое управление, аэродинамика. Поэтому, прежде чем приступать к самостоятельному форсированию двигателя, важно убедиться, что машина не развалится от умощнения двигателя.

Способов увеличения крутящего момента и, вместе с ним, мощности двигателя, может быть много:

• изменение геометрических свойств поршневой группы;
• увеличение компрессии;
• замена инжекторов или форсунок;
• установка наддува на атмосферный двигатель;
• изменения в системе воздухозабора;
• доработка или замена системы выпуска выхлопных газов;
• чип-тюнинг, при помощи перепрограммирования топливной карты блока управления мотора.

Однако принудительное увеличение крутящего момента и мощности двигателя в значительной степени уменьшает ресурс его работы.

Как можно увеличить крутящий момент двигателя?

Существует несколько способов, при помощи которых можно добиться увеличения крутящего момента двигателя:

• увеличение рабочего объема движка;
• величины наддува;
• изменения в газодинамике.

Увеличения рабочего объема можно достичь путем замены штатного коленвала на коленчатый вал с большим значением эксцентриситета либо же путем расточки цилиндров, что обеспечит установку поршней большего диаметра.

Замена коленвала — один из способов увеличения крутящего момента

Замена коленвала требует много времени и нервов, так как найти нужный коленвал с большим значением эксцентриситета очень сложно. Их изготавливают под заказ некоторые фирмы, которые также найти нелегко, а стоимость работ очень высока. Проще купить коленчатый вал серийного производства, а поршневую группу и шатуны подбирать уже под него, но это тоже нелегко. Хотя загвоздка в другом. Использование более коротких шатунов предполагает лишние механические потери в работе движка, а также на такие шатуны воздействуют большие нагрузки.

Более выгодно увеличение диаметра цилиндра, так как стенка цилиндра толщиной 7-8 мм допускает расточку на несколько миллиметров, и это не будет влиять на ее прочность.

Увеличение диаметра цилиндров — еще один способ увеличения крутящего момента

А поршни в большинстве случаев можно подобрать серийные. Но не факт, что расточка цилиндров будет стоить намного дешевле замены коленвала. Эти 2 способа следует рассматривать применительно к каждому отдельному движку.

Увеличение крутящего момента при помощи увеличения наддува применительно лишь к турбированным двигателям.

Как правильно разгоняться, используя максимальный крутящий момент

Для этого важно уметь работать с коробкой передач. Для максимального разгона надо переключаться так, чтобы обороты упали примерно на пик крутящего момента либо выше него, но чтобы оставался запас по увеличению оборотов – разгон больше оборотов максимальной мощности будет проходить медленней. Идеальным вариантом на обычных машинах можно назвать разгон «от пика момента до пика мощности». В тоже время, на двигателях современных автомобилей электроника просто не даст «перекрутить» мотор более его пика мощности – произойдёт «отсечка».